Jos Sinke - TU Delft
-
Upload
themadagen -
Category
Documents
-
view
1.006 -
download
5
Transcript of Jos Sinke - TU Delft
23-4-2012
Challenge the future
DelftUniversity ofTechnology
Het verbinden van kunststoffenThemadag - Microcentrum
Jos Sinke, Aerospace Engineering TU Delft
2Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31
Overzicht
Inleiding
Verbindingsmethoden
Lijmen van kunststoffen
Afrondende opmerkingen
3Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31
Inleiding
Verbinden van Kunststoffen centraal
Materiaalgroepen:- metalen- keramische materialen- kunststoffen of polymeren- vezelversterkte kunststoffen
4Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31
Inleiding
Waarom verbindingen nodig?
Grootte van het produkt/constructie
Toegankelijkheid
Inspectie, reparatie, onderhoud
Gebruik – beweegbare onderdelen
Niet gelijksoortige materialen- metalen, kunststoffen, composieten
Andere redenen: Economisch
5Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31
Inleiding
Welke eisen stellen aan verbindingen
Doorleiden van krachten en momenten – belastingweg creeren
Samenhang, stijfheid verzorgen
Voldoende sterk zijn (> dan sterkte van afzonderlijke delen)
Duurzaam – 5? tot 40 jaar (Vliegtuigen)
Andere eisen: Glad oppervlak, luchtdicht, losneembaar (t.b.v. hergebruik), ….
6Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31
Inleiding
Voordelengenoemd bij het “Waarom” van verbindingen
Nadelen
• Toename van gewicht
• Verandering in materiaalgedrag (soms)
• Assembleren is erg tijdrovend/arbeidsintenief
7Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31
Verbindingsmethoden
4 hoofdgroepen
• Pen-gat verbindingen
• Lijmverbindingen
• Lasverbindingen
• Verbinden door vervorming
8Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31
Verbindingmethoden
Overdracht van krachten (bijv. Trekkracht):
Klinkverbinding:
Lasverbinding:
9Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31
Verbindingsmethoden - lijmen
• Krachten doorleiden door afschuiving – niet door trek
• Twee delen verbinden door het maken van een overlap
• Gebruik van een polymeer – lage sterkte en stijfheid – grote
overlap maken
• Voorbehandelen van oppervlakken essentieel
10Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31
VerbindingsmethodenEen korte vergelijking
Kenmerk Pen-gat Lijmen Lassen Omvormen
Klinken Bouten
Gas en vloeistofdicht Nee Nee Ja Ja Nee
Losneembaar Beperkt Ja Nee Nee Nee
Spanningsconcen-traties
Ja Ja Gering Nee Ja
Verwerkbaarheid Goed Goed Moeilijk Voldoende Goed
Ongelijke materialen Ja Ja Ja Neeo Ja
11Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31
Lijmen van Kunststoffen
Lijmverbindingen (algemeen)
- Schoonmaken van het oppervlak – weghalen vervuling
- Bewerken van het oppervlak – w.o.
- Opruwen (vergroten oppervlak)
- Hechting te verbeteren door betere bevochtiging
- Door chemisch activeren van grenslaag
- Aanbrengen van de lijm
- Uitharden van de lijm
12Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31
Oppervlaktebehandeling
Doelen:
- Schoonmaken van het oppervlak
- Zorgen voor een goede hechting (sterke verbinding) en -
optioneel - een duurzame verbinding (lange levensduur)
Methoden:
- Metalen: chemische processen
- Kunststoffen en Composieten: mechanische processen
(o.a. schuren)
- Thermoplasten: fysische methoden
Lijmen van kunststoffen
13Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31
Lijmen van kunststoffenbevochtiging - visueel
geheel geenbevochtiging
gedeeltelijkebevochtiging
vloeistof
oppervlak
volledige bevochtigingθ = 0º
Beeld door microscoop:
Randhoekmeter
14Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31
Lijmen van kunststoffenKritische oppervlaktespanning van enkele substraten
Een hypothetische vloeistof met
een oppervlaktespanning gelijk
aan de critische oppervlakte
spanning zal net over dat
oppervlak uitspreiden.
15Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31
Lijmen van kunststoffenmechanische oppervlaktebehandeling
ontvetten met oplosmiddelen
oppervlaktelaag verwijderen
stralen schuren
zand grit schuurpapier scotch brite
reinigen met oplosmiddelen
Zo snel mogelijk na de voorbehandeling de lijm of primer aanbrengen
16Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31
Lijmen van kunststoffenfysische oppervlaktebehandeling
ontvetten
activeren
chemische modificatie oppervlak
corona-ontlading
oxiderende vlam
lage-drukplasma
UV-ozon
laserbestraling
openlucht plasmaBinnen paar uur lijm of verf aanbrengen
17Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31
Lijmen van kunststoffen1e Voorbeeld: Vlambehandeling
Vlam
Werkstuk
• Als gevolg van de warmtebehandeling vindt oxidatie van het
kunststof oppervlak plaats.
• Hierbij spelen ondermeer de werkstuk- snelheid en de
vlamtemperatuur een grote rol.
18Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31
shear stress vs platform speed of flame treatment for PE/MMA
0
0,2
0,4
0,6
0,81
1,2
1,4
1,6
1,8
0 10 20 30 40 50 60
speed (m/min)
shea
r st
ress
(M
Pa)
height=75cm height=78cm height=80cm height=86cm
De invloed van snelheid en afstand op de
uiteindelijke hechtsterkte
Lijmen van kunststoffenoppervlaktebehandeling - vlambehandeling
19Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31
Lijmen van kunststoffenVlambehandeling
Voordelen
• erg goedkoop in aanschaf
• snel
Nadelen
• moeilijk reproduceerbaar te krijgen
• vormbeperkingen
20Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31
Twee principes:
Indirecte coronaDirecte corona
Tegen-electrode
Hoogspanning
Werkstuk
Hoogspanning
Perslucht
Werkstuk
Lijmen van kunststoffen2e voorbeeld: Corona behandeling
21Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31
Invloed van corona dosis op oppervlakte energie van kunststoffen
[Bron: Tigres GMbH]
Lijmen van kunststoffen
Corona behandeling
22Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31
Lijmen van kunststoffenCorona behandeling
Voordelen
• snel
• niet erg duur
Nadelen
• vooral goed toepasbaar op vlakke of licht gekromde
oppervlakken
• moeilijk om in productieproces goed reproduceerbaar te
krijgen
23Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31
Lijmen van kunststoffenWelke lijm? - Specificatie van eisen
De keuze van de lijm moet gebaseerd zijn op te stellen eisen aan product en verbinding:
• Te verbinden materialen (kunststof/metaal, stijfheid, oppervlakte conditie, thermische uitzettingscoëfficient, temperatuur stabiliteit)
• Functie van de verbinding (structureel, fixering, afdichting, borging)
• Type verbinding (overlap, kopse verbinding, hoek verbinding, T-verbinding, enz.)
• Belasting op de verbinding (trek, druk, schuif, pel, statisch, continue, dynamisch)
• Omgevingscondities / gebruiksomstandigheden (temperatuur, vocht, corrosie, chemisch, UV, enz.)
• Specifieke eisen of functionaliteit (elektrische of thermische geleidbaarheid, geometrische stabiliteit, enz)
• Afmetingen en vorm (lijm oppervlak, vlakheid, toleranties, lijmlaagdikte)
• Productie aspecten
• Reparatie aspecten
24Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31
Lijmen van kunststoffenMogelijkheden – lijmen met fysische uitharding
25Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31
Lijmen van kunststoffenLijmen met chemische uitharding
26Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31
Lijmen van kunststoffenHet aanbrengen van de lijm - Productie aspecten
Ontwerp en lijmkeuze wordt gebaseerd op de keuze van het productie proces
• Seriegrootte (bepaald investeringsniveau voor
lijmgereedschap/machines)
• Productietempo (eis t.a.v. uithardingsnelheid)
• Mate van automatisering (gerelateerd aan aantal producten)
• Gewenst productie proces
• Oppervlakte behandeling van lijmvlak
• Aanbrengmethode van lijmmateriaal
• Uithardingscondities
• Productie ruimte condities (buiten of ruimte met controle van
vochtigheid en temperatuur)
• Beschikbare productiemiddelen (van simpele lijmtang tot autoclaaf)
• Kwaliteitsbeheersing, borging
27Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31
Lijmen van kunststoffen
In de volgende lezingen zullen een reeks van
voorbeelden en toepassingen worden getoond.
Tot slot nog enkele afsluitende opmerkingen
28Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31
Afsluitende opmerkingen
Lijmverbinding is competitief
Voorbeeld:
• Lijmen met maximale afschuifsterkte 40-60 MPa (N/mm2)
• Overlap lengte van 30 – 50 mm
• Stel: gemiddelde spanning op 50%; knock-down factor voor
duurzaamheid op 50%
• Resuleert in sterkte van 400 – 750 N/mm
Opm: effectiviteit van lijm wordt minder bij dikke plaat
Nieuwe concepten mogelijk
Zoals sandwich panelen, laminaten
29Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31
Afsluitende opmerkingen
Nieuwe concepten – hybride materialen: ARALL, GLARE,…
30Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31
Afsluitende opmerkingen
Lijmen meest passende verbinding voor nieuwe
materialen?
Composieten, Keramische materialen
Verbinden ongelijke materialen?
31Themadag Microcentrum – Verbinden van kunststoffen | 31
Afsluitende opmerkingen
Kernpunten voor een goede lijkmverbinding:• Goed ontwerp
• Juiste voorbehandeling• Juiste keuze van lijm en mogelijke tussenlagen
• Goede proces controle (incl. kwaliteitscontrole)